Сплавы металлов и их применение

Металл является одним из самых необходимых материалов в промышленности, строительстве, сельском хозяйстве и иных видах жизнедеятельности человека.

Чаще всего в промышленности и строительстве используются не чистые металлы, а их сплавы.
Сплав — это материал, который образуется в результате затвердения расплава двух или нескольких металлов.
В состав сплавов кроме металлов могут входить также неметаллы.

Добавляя в определённом количестве примеси других металлов и неметаллов, можно получить многие тысячи материалов с самыми разнообразными свойствами, в том числе и такими, каких нет ни у одного из составляющих сплав элементов.

Сплав по сравнению с исходным металлом может быть:
механически прочнее и твёрже,
со значительно более высокой или низкой температурой плавления,
устойчивее к коррозии,
устойчивее к высоким температурам,
практически не менять своих размеров при нагревании или охлаждении и т. д.

Сталь является самым востребованным сплавом. Подобный вывод можно сделать, проанализировав ежегодные объемы её производства. В большинстве случаев, сталь представляет собой сплав железа с углеродом, количество которого достигает двух процентов.

Сплавы стали подразделяются на несколько видов: малоуглеродистые, уровень углерода в которых не превышает 0,25%, высокоуглеродистые с содержанием углерода свыше 0,55% и легированные, дополненные другими металлами.

Для того чтобы значение стали в жизни человека стало для вас более явным, попробуйте вспомнить все металлические предметы, которые вы использовали за день, — ножи, кастрюли, бритвы и другое – все они изготовлены из стали.

На втором месте по объему производства находится чугун, который также представляет собой сплав железа и углерода. Только в отличие от стали, количество последнего в чугуне несколько больше. Для придания сплаву прочности в чугун добавляется кремний.

Хотя сплавы из алюминия не так распространены, как материалы, названные выше, некоторые их достоинства делают их незаменимыми. Прежде всего, сплавы из алюминия отличает экономичность, легкость в обработке. Они без труда поддаются ковке, сварке, штампованию, а также хорошо поддаются обработке на металлорежущих станках.

Использование алюминиевых сплавов ограничено лишь тем, что при высоких температурах они теряют ряд своих свойств. Так, температура 200°С уже является для них высокой, между тем, как термоустойчивость – это очень важное свойство металла.

К достоинствам алюминиевых сплавов относится их безвредность и экологичность, благодаря чему их можно использовать даже для хранения и перевозки пищевых продуктов, стойкость к появлению коррозии, высокая отражательная способность, а также немагнитность.

Наиболее часто алюминиевые сплавы применяются в пищевой промышленности и машиностроении. Кроме этого, они необходимы для создания высоковольтных линий и изготовления некоторых архитектурно-отделочных материалов.

Такие сплавы алюминия как дюралюминий, силумин незаменимы в самолёто-, вагоно- и кораблестроении.
В приборостроении, при изготовлении строительных конструкций применяется магналий (сплав алюминия с 9,5—11,5% магния).

Пять тысяч лет тому назад наши предки научились делать бронзу — сплав олова с медью. Бронза по твёрдости превосходит оба металла, входящие в её состав.
Сейчас бронзу получают сплавляя медь с другими металлами.

Кремнистые бронзы (4—5% Si) обладают высокими механическими и антикоррозионными свойствами. Они применяются в химической промышленности для изготовления сеток, проводов, трубопроводов.

Бериллиевые бронзы (1,8—2,3% Be) способны при быстром охлаждении с 800° принимать закалку и становятся твердыми и упругими, как сталь. Их применяют главным образом при изготовлении часовых механизмов и в точной механике.
Большинство бронз имеет сложный состав и являются трех- или четырех компонентными сплавами.

Сплавы меди, содержащие до 10% цинка, называются томпаком; при большем содержании цинка (10—40%) — латунью. Томпак и латунь хорошо прокатываются и обрабатываются штамповкой и прессованием. Они применяются для изготовления листов, труб, патронных гильз и различной арматуры (краны, вентили и др.).

Томпак пластичен, не ржавеет и обладает низкой силой трения. Томпак хорошо сваривается со сталью и имеет золотистый оттенок. Литейная латунь предназначена для создания изделий путём литья. Такой сплав не подвержен ржавчине, не подвержен деформации.

Добавление в латунь олова резко улучшает ее коррозионную стойкость («морская» латунь). Сплавы меди с никелем (иногда с добавлением цинка) обладают значительным сопротивлением. Некоторые из них, например мельхиор, применяются для изготовления предметов домашнего обихода.

Латунь является одним из самых наиболее используемых в мире сплавов, его даже называют вечным металлом, так как он практически не подвергается износу.

Сплавы служат незаменимым материалом при изготовлении особо чувствительных и высокоточных приборов, различного рода датчиков и преобразователей энергии. Например, на изготовление сердечников трансформаторов и деталей реле идёт сплав никеля. Отдельные детали электромоторов изготавливаются из сплавов кобальта.

Сплав никеля с хромом — нихром, отличающийся высоким сопротивлением — используется для изготовления нагревательных элементов печей и бытовых электроприборов. Пластинки из сверхтвёрдого победита (сплав вольфрама и кобальта) применяются для изготовления металлорежущего и бурового инструмента.

В некоторых узлах самолётов используются сплавы магния, очень лёгкие и жароустойчивые. В ракетостроении применяют лёгкие и термостойкие сплавы на основе титана,
а для производства зеркал и в стоматологии – амальгама ( сплав ртути).

Главным востребованным свойством легкоплавких сплавов является заданная низкая температура плавления. Это свойство, в частности, используется для пайки микросхем. Кроме того, эти сплавы должны иметь определённую плотность, прочность на разрыв, химическую инертность, теплопроводность.

Легкоплавкие сплавы производят из висмута, свинца, кадмия, олова и других металлов. Такие сплавы используют в термодатчиках, термометрах, пожарной сигнализации, например, сплав Вуда.
Сплав натрия с калием (температура плавления –12,5 °С) используется как теплоноситель для охлаждения ядерных реакторов.

Применение в чистом виде драгоценных металлов в ювелирном деле не всегда оправдано и целесообразно из-за их дороговизны, физических и химических особенностей. Для придания ювелирным изделиям из золота большей твёрдости и износостойкости используются сплавы с другими металлами.

Самая лучшая добавка — это серебро (понижает температуру плавления) и медь (повышает твёрдость). Из сплавов золота с 10–30 % других благородных металлов (платины или палладия) изготавливают форсунки лабораторных приборов, а из сплава с 25–30 % серебра — ювелирные изделия и электрические контакты.

Таким образом, производство металлов и сплавов является ключевой особенностью современной промышленности. С каждым годом люди изобретают все больше способов получения новых материалов, так что вскоре мы наверняка получим совершенно невероятные соединения, которые будут сочетать в себе полезные свойства сразу нескольких групп материалов и химических элементов.